Ciência dos Materiais

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Ciência e Engenharia dos Materiais 
Ciência dos Materiais 
Estuda a correlação entre 
composição, síntese e 
processamento, microestrutura 
e propriedades dos materiais 
 
 
Engenharia dos Materiais 
 
Desenvolve técnicas de 
processamento, encontra 
aplicações 
 
Grupos de Materiais 
 Metais 
 Polímeros 
 Cerâmicas 
 Materiais Compostos 
Fundamentos da Seleção de Materiais 
Fatores Importantes: 
Econômicos 
Desempenho (propriedades mecânicas, físicas, etc.) 
Processamento (processos de fabricação) 
Estética 
Propriedades Mecânicas: 
Resistência 
Rigidez 
Dureza 
Elasticidade 
Tenacidade 
Ductilidade 
Fabricação: 
Usinagem 
Soldagem 
Fundição 
Conformação 
 
Econômicos: 
Custo do material 
Disponibilidade 
Fabricação 
GRUPOS DE MATERIAIS 
Exemplo de Aplicação 
Tubos Flexíveis 
Empregos: 
• Produção – utilizados para o 
transporte de óleo e gás; 
• Injeção – utilizados para 
injeção de fluidos no poço; 
• Exportação – utilizados para 
o transporte de produtos 
semiacabados; 
• Serviço – utilizados para 
levar produtos químicos até o 
poço. 
Estrutura e Propriedades 
alumínio magnésio 
fibra de vidro 
concreto borracha epoxi 
alumínio magnésio 
Estrutura e Microestrutura 
Metais 
Estruturas cristalinas 
Microestrutura granular 
Estruturas Moleculares 
Polímeros 
Estrutura 
Materiais Compostos 
Fibra de vidro Concreto 
Resistência à tração – Limite de resistência 
Resistência ao escoamento – Limite de escoamento 
Rigidez 
Dureza 
Elasticidade 
Resiliência 
Tenacidade 
Ductilidade 
Propriedades Mecânicas 
(exemplos) 
FORÇAS DE ATRAÇÃO INTERATÔMICAS 
LIGAÇÕES PRIMÁRIAS 
(Ligações Fortes) 
Ligações metálicas 
 
Ligações iônicas 
 
Ligações Covalentes 
LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS - Forças de van der Waals 
(Ligações fracas) 
Forças de Atração Interatômicas e 
Microestruturas 
LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS 
 Forças de van der Waals 
ORDENAÇÃO ATÔMICA DOS SÓLIDOS 
Nos materiais cristalinos os átomos 
encontram-se ordenados sobre longas 
distâncias atômicas formando uma 
estrutura tridimensional que se chama 
rede cristalina 
Em condições normais de 
solidificação todos os metais, 
muitas cerâmicas e alguns 
polímeros apresentam 
estruturas cristalinas 
ORDENAÇÃO DE LONGO ALCANCE 
Os materiais amorfos ou não –
cristalinos somente apresentam 
ordenação de curto alcance ou 
seja, não existe ordem ao longo 
de grandes distâncias atômicas 
na disposição dos átomos 
ORDENAÇÃO DE CURTO ALCANCE 
Alumínio Magnésio 
Vidro 
ESTRUTURAS CRISTALINAS – CÉLULAS UNITÁRIAS 
CÉLULA UNITÁRIA – Unidade básica que se repete na rede cristalina 
Alumínio - CFC 
Magnésio - HC 
METAIS 
CERÂMICAS 
Sistemas Cristalinos 
As 14 Redes de Bravais 
Nos sete sistemas 
cristalinos existem 
14 tipos diferentes 
de células unitárias 
conhecidas como 
Redes de Bravais 
Solidificação de um Material Policristalino 
Análise da Microestrutura 
 
Análise da Microestrutura 
 
Principais Estruturas Cristalinas dos Materiais Metálicos 
Estrutura CCC 
Estrutura CFC 
Estrutura HC 
Estruturas Cristalinas 
Parâmetros de rede: descrevem o tamanho e formato da 
célula unitária. Consistem nas dimensões das arestas e 
ângulos entre arestas. 
Número de átomos por célula unitária 
Número de coordenação: número de átomos vizinhos mais 
próximos a um átomo. 
Fator de empacotamento atômico: 
Número de átomos por célula x Volume do átomo 
 Volume da célula unitária 
Difração de Raios X 
por planos atômicos 
Difratômetro - esquemático 
Espectro da difração de raios 
x do Fe α policristalino 
Determinação de parâmetros da estrutura cristalina 
Difração de Raios-X 
Estrutura Cúbica de Corpo Centrado - CCC 
Metais: Feα, Cr, Mo, W 
N.C. = 8 
Número de átomos por célula: 2 
F.E.A = 0,68 
Estrutura Cúbica de Face Centrada - CFC 
Metais: Feγ, Al, Cu, Ag, Au 
N.C. = 12 
Número de átomos por célula: 4 
F.E.A = 0,74 
Fator de empacotamento atômico 
Cálculo do fator de empacotamento – Estrutura CFC 
Estrutura Hexagonal Compacta - HC 
Metais: Mg, Zn, Co 
N.C. = 12 
Número de átomos por célula: 6 
F.E.A = 0,74 
Alotropia e Polimorfismo 
Alguns materiais podem apresentar mais de um tipo 
de estrutura cristalina em função da temperatura e 
pressão. Esse fenômeno é denominado de alotropia ou 
polimorfismo. 
O termo alotropia é normalmente empregado para se 
referir a este comportamento em elementos puros (ex: 
Fe e Ti). 
Já polimorfismo é utilizado no caso de substâncias 
compostas (ex: SiO2, BaTiO3) 
As propriedades do material podem variar bastante 
devido às transformações alotrópicas ou polimórficas 
Alotropia do Ferro 
DIREÇÕES CRISTALOGRÁFICAS 
PLANOS CRISTALOGRÁFICOS – ÍNDICES DE MILLER 
Conceitos de Tensão e Deformação 
Material 
Módulo de Elasticidade 
E (GPa) 
Aço carbono 207 
Alumínio 70 
Alumina 380 
Diamante 700 - 1200 
Nylon 1,5 a 4 
Borrachas 0,002 a 0,1 
MÓDULO DE ELASTICIDADE DOS MATERIAIS 
(VALORES APROXIMADOS) 
Defeitos da Estrutura Cristalina 
Defeitos pontuais 
Vacâncias 
Impurezas substitucionais e intersticiais 
Defeitos em linha 
Discordâncias 
Defeitos planares ou bidimensionais 
Interfaces e fronteiras de grão 
A rede cristalina dos materiais apresenta diversos defeitos 
que são classificados de acordo com sua dimensão 
Solução Sólida: É um sólido constituído por dois ou 
mais elementos dispersos atomicamente em uma única 
fase. 
 
Fase: Porção homogênea de material que apresenta 
mesma composição química, estrutura e propriedades. 
 
Defeitos da Estrutura Cristalina 
Conceitos iniciais 
Defeitos Pontuais 
Defeitos em Linha – Discordâncias 
Discordância em aresta – O defeito em linha é representado pela 
aresta de um semi-plano extra de átomos na rede cristalina 
Cristal perfeito Cristal com discordância em aresta 
O vetor de Burgers b 
O vetor necessário para completar uma volta em torno da 
discordância retornando ao ponto de origem é denominado 
vetor de Burgers b 
Defeitos em Linha – Discordâncias 
Discordância em hélice Discordância em aresta 
Liga de titânio. 
Linhas escuras são 
discordâncias. 
Aumento de 51.450 vezes. 
Defeitos em Linha – Discordâncias 
Discordâncias 
A tensão cisalhante crítica é a tensão necessária para 
produzir o cisalhamento do cristal 
Os valores teóricos, calculados a partir das forças de 
atração interatômicas, são muito maiores do que os 
valores da tensão cisalhante crítica medidos. 
Esta grande diferença foi compreendida com a 
descoberta da existência das discordãncias. 
As discordâncias reduzem as tensões necessárias 
para produzir o deslizamento de planos no cristal ao 
criarem um mecanismo sequencial de ruptura de 
ligações atômicas no plano de deslizamento. 
 Portanto, o movimento das discordâncias é o 
principal mecanismo através do qual as deformações 
plásticas são geradas nos cristais. 
 
As discordâncias são muito importantes em metais 
e ligas metálicas pois fornecem o principal 
mecanismo para ocorrência da deformação 
plástica, que é decorrente do efeito cumulativo do 
deslizamento de um grande número de 
discordânciais. 
O processo de deslizamento é importante para a 
compreensão de diversos aspectos do 
comportamento mecânico dos materiais. 
O deslizamento devido à movimentaçãode 
discordâncias proporciona ductilidade aos metais. 
Importância das Discordâncias 
 Podemos modificar as propriedades mecânicas dos 
metais interferindo no movimento das 
discordância. Por exemplo, inserindo obstáculos 
nanométricos na rede cristalina. 
Um número muito grande de discordâncias está 
presente nos materiais. Densidades de 
discordâncias (comprimento total de discordâncias 
por unidade de volume) de 106 cm por cm3 são 
típicas em metais. É possível obter densidades de 
1012 cm por cm3 ao se impor grandes deformações 
plásticas ao metal. 
Muitas outras propriedades (ópticas, elétricas,etc.) 
são influenciadas pelas discordâncias. 
 
Importância das Discordâncias 
Defeitos planares ou bidimensionais 
Superfície de contorno de grão 
Comportamento Mecânico dos Materiais 
 Propriedades Mecânicas dos Materiais 
 
 Comportamento dos materiais 
submetidos a carregamentos quase-
estáticos 
 
 Comportamento dos materiais sob altas 
taxas de carregamento e deformação –
Impacto 
 
 Comportamento dos materiais em altas 
temperaturas 
 
 
Fratura dúctil 
Fratura frágil 
Ensaio de Tração 
Aspecto da fratura dúctil e fratura frágil 
Ensaio de Impacto 
Ensaio de Impacto 
Ensaio de Impacto 
 Energia absorvida x Temperatura 
Ensaio de Impacto 
 Aspectos da fratura 
Fratura frágil de um navio tanque 
Fatores que contribuem 
para transição dúctil x frágil: 
 
Temperatura 
Taxa de deformação 
Estado de tensões 
 
Dureza 
Fluência 
Fluência 
Influência da temperatura e tensão 
Fluência 
Influência da microestrutura 
Ensaio de Fadiga – Flexão Rotativa 
Falha por Fadiga 
 
1 – Nucleação da trinca 
2 – Crescimento da trinca 
3 – Fratura final rápida 
 
ETAPAS : 
Recristalização e crescimento de grão 
Variação do Limite de Escoamento e Limite de Resistência 
em Função do Trabalho à Frio 
Variação da Ductilidade em Função do Trabalho à Frio 
Diagramas de Fase 
Diagrama de fase binário 
Diagrama Fe-Fe3C 
Diagrama Fe-Fe3C